Rugosité multi-échelles- Constat - Concept- Technologies- Architecture- Performances- Quelques exemples- Conclusion

Le ConstatLe ConstatLa société EOTECH est à l’origine une société de distribution de matériels et d’équipements de mesure dans le domaine de la caractérisation de rugosité, profilométrie, visualisation topographique, numérisation, de surfaces 3D. A ce titre nous proposons à nos clients différentes solutions utilisant principalement des techniques optiques:

- Interférométrie à décalage de phase- Microscopie confocale lumière blanche- Capteurs interferométrique point sur station de mesure- Stations de mesure par focalisation dynamique, et triangulation laser- Capteurs par projection de fumière structurée et de franges

Toute ces techniques se complètent en terme de mesure et de performances ouvrant un large choix d’applications.

Microscope Microscope confocal

Capteur à Capteur à projection de projection de franges

InterféromètresInterféromètres Station de mesureStation de mesure Capteur Capteur Interférométrique confocalInterférométrique

franges

ConstatConstat- Besoins: Nous avons par ailleurs identifiés des demandes pour lesquelles il était nécessaire de couvrir une gamme de mesure permettant de couvrir du nanomètre au millimètre sur un même échantillon, tout particulièrement dans la recherche et la caractérisation de défauts dans les process de fabrication des optiques et matériaux « intelligents ».- Solutions: Bien sûr plusieurs équipements pouvaient répondre individuellement à ces besoins, mais se pose toujours la question de retrouver précisément la zone du ou des défauts, voire impossible quand les différentes techniques n’ont aucun recouvrement de gamme ou demande un temps de mesure incompatible aux exigences industrielles. Aucun concept n’existait pour proposer la mesure multi-échelle utilisant ces techniques sur une même plateforme ou l’échantillon ne bougerait pas.- Nous l’avons créé: le projet « PHOENIX » était né!

ConceptConceptObjectif: Combiner sur une même plateforme plusieurs techniques de mesures et de visualisation proposant des résolutions et des gammes de mesure complémentaires sur la base de nos connaissances et des partenaires possibles.

Techniques:- Microscopie optique- Microcopie à force atomique- Microscopie interférométrique à décalage de phase- Microcopie interférométrie confocale à contraste de phase- Microscopie à projection de franges

Partenaires:- La société allemande SIS pour la solution AFM- La société allemande Breuckmann pour le logiciel d’acquisition et d’analyse- Le laboratoire français CNRS – PHASE pour leurs algorithmes de démodulation de phase- La société EOTECH pour la conception, la réalisation et la commercialisation du premier produit né de ce concept: le système OptoSURF

Fournisseurs:- Nikon pour la partie microscope- Leica pour la partie microscope- PI pour les organes piézo-électriques

ConceptConceptObjectifs pour chacune des techniques

PHOENIX

Interférométrieà décalage de

phase0.5 µm latéral< 1nm vertical

AFM/SPM<0.1 nm latéral

<0.1 nm vertical

Microscopieoptique

Détection de défauts

<0.3µm latéral

Interférométrie confocale

<0.5µm latéral~ 1% de ladynamiqueverticale

Projectionde

Franges~1 µm latéral

~0.1µm vertical

TechnologiesTechnologiesMicroscopie optique:

- Base en granite pour assurer la meilleure stabilité de l’ensemble ( indispensable pour la microscopie à champ proche)- Composants Nikon ou Leica pour assurer un maximum de flexibilité à l’ensemble- Caméras CCD numérique IEE1394 ( FireWire)- Visualisation et détection de défauts en fond clair ou fond noir

TechnologiesTechnologiesInterférométrie à Décalage de phase en mode monochromatique

- Permet d’acquérir des surfaces polies et réfléchissantes très rapidement- Résolution en fraction de franges ( ~ lambda sur 1000) indépendant du grossissement de l’objectif- Une sélection d’objectifs interférométriques de 2.5 à 50 X pour des champs de mesures allant de 0.12 à 2.4 mm avec des résolutions optiques de 0.5 à 3.2 µm

TechnologiesTechnologiesInterférométrie à Contraste de phase

- l’ambiguïté modulo 2pi est levée par la détection du meilleur contraste sur la phase des franges- résout des figures complexes de franges d’interférences pour des rugosité de plusieurs microns

TechnologiesTechnologiesMicroscopie à champ proche:

- Tête AFM comprenant les trois axes de balayage intégrée dans une encombrement d’unobjectif de microscope.- Tête AFM de 40 à 100 µm en latéral, 4 à 12 µm en vertical , résolution 0.1 nm- Mode de mesure contact et non contact

• Mode contact• Mode Non contact (Taping)• Mode MFM (Magnétique)• Mode EFM (Electrostatique)• Mode Élastique• Mode FLM (force latérale)• Mode SSPM (Sonde de kelvin)• Mode FM (Mode fréquence) Nouveau!• Mode PM ( Potentiel de surface) Nouveau!• Mode STM ( Tête STM) Nouveau!

TechnologiesTechnologiesMicroscopie à projection de frange:

- Combine triangulation optique et projection de franges- Utilise les mêmes algorithmes de démodulation que l’interférométrie à décalage de phase- Projette sur 10 x 10 mm²- Utilise des objectifs de grossissement de 1 à 5X pour des champs de mesure de 1.2 à 8 mm pour des résolutions latérales de 1 à 5 µm ( préliminaires!)- gamme verticale selon la profondeur de champ des objectifs ( ~0.5 à 2 mm), résolution ~0.1 µm-Temps d’acquisition: Quelques secondes

Figure 4: Techniques de triangulation optique en un point, selon une ligne, projection de franges (de gauche à

droite)

Figure 5 : Déformations

des franges par la surface d'un

objet

ArchitectureArchitectureConcept Modulaire:

- Des composants qui offrent une grande flexibilité à la configuration du système- Chaque technique est indépendante des autres et le système est évolutif- Seule la microscopie AFM requiert une configuration de base particulière qui lui assure une stabilité optimum

ArchitectureArchitecture

Composants

NanomètresNanomètres MicromètresMicromètres MillimètresMillimètres

OptoPHIA

OptoLINK

SIS Scan-C

Interface tête AFM

SIS Scan-Panel

Station OptoSURF

ArchitectureArchitectureDifférentes version:

- Pour petits échantillons- Pour large échantillons- Stand alone

PerformancesPerformancesPerformances:

Dynamique de mesure verticaleDynamique de mesure verticale

00 1 1 10 10 100100 1 1 10 10 100100 1 1 10 10

nmnm µmµm mmmm

Microscopie à champ procheMicroscopie à champ proche

Interférométrie à décalage de phaseInterférométrie à décalage de phase

Interférométrie Interférométrie confocaleconfocale

Microscopie à projection de frangesMicroscopie à projection de franges

Dynamique de mesure latéraleDynamique de mesure latérale

00 1 1 10 10 100100 1 1 10 10 100100 1 1 10 10

nmnm µmµm mmmm

Microscopie à champ procheMicroscopie à champ proche

Interférométrie à décalage de phaseInterférométrie à décalage de phase

Interférométrie Interférométrie confocaleconfocale

Microscopie à projection de frangesMicroscopie à projection de franges

PerformancesPerformancesAlignement des optiques:

- Chaque Optique est alignée sur la mesure AFM à l’aide d’un réseau codé en lignes et colonnes- Des « distanceurs » permettent de conserver la distance para focale des objectifs

UltraUltra--ObjectifObjectif

40µm40µm

Objectif 50X (120µm)Objectif 50X (120µm)

PerformancesPerformancesCalibrage:Chaque technique est étalonnée sur un calibre spécifique

- Réseaux avec marche de 3 nm de haut pour l’AFM et l’interférométrie à décalage de phase- Optique super poli de rugosité 0.1 nm Sq pour l’interférométrie à décalage de phase- Marches PEN-10-1 Mahr de 8.7 et 8.9 µm pour l’interférométrie à contraste de phase- Réseau Mahr PGN1 de période 0.1 mm le calibrage des optiques en latéral- Marches 4M-CAL-ETC Eotech de 50, 100, 500, et 900 µm pour la microscopie à projection de franges

ApplicationsApplicationsMatériaux: Toutes techniques confondues

Biologie

Métaux

PapierPolymères

Grainage plastique Cristaux

Fibres

ApplicationsApplicationsElectronique et micro-électronique:

Mesure de profils, planéité, co-planéité, micro-structure

ApplicationsApplicationsBio-technologies: Toutes techniques confondues

Visualisation, quantification, identification

Cheveux, collagène, cellules, ADN

ConclusionsConclusionsUn concept réussi et unique qui offre des performances techniques:

- Combinaison de techniques de mesures complémentaires sur une même station- Combinaison de techniques de mesures complémentaires sur le même endroit d’un échantillon- Au delà de leur complémentarité dans la gamme de mesure, ces techniques le sont aussi sur la nature des échantillons et de l’évolution de leur rugosité.

- Spéculaires pour les surfaces de très faible rugosités- Diffusantes pour les surfaces de fortes rugosités

- L’architecture permet la modularité et l’évolution_ Un concept qui s’adapte à l’échantillon selon sa nature, sa masse, et sa taille

Un concept enfin qui offre aussi des avantages économiques- Une seule plateforme pour une variétés de mesures et d’échantillons- Peu de place dans une laboratoire- Une seule formation à l’équipement, nombre d’opérateurs réduits- Une intégration qui offre une rapport qualité prix excellent